航天器天线工程设计技术中的扫描机构：实现天线正常接收

扫描机构作为微波辐射计天线驱动部件，实现对地观测天线正常接收，是天线产品的重要部件之一。

遥感类天线在轨转动有以下特点：

1）启动加速时间尽量长，启动加速度尽量小，加速时间可调，所需启动力矩比较小。

2）在轨工作状态为匀速稳定工作，不存在加减速，正常工作仅克服机构自身的摩擦力矩。

机构类产品形式比较多，目前主要有电机+减速器类型，减速器又分为齿轮系减速器和谐波减速器，这种类型能获得较大的驱动力矩，在航天领域得到广泛应用，技术比较成熟。但是，这种机构若用于快速扫描的遥感卫星天线，由于电动机直接驱动减速器，电动机的转速非常高，对于电动机的寿命总转数要求要达到几亿转甚至上百亿转，从而电动机研制难度非常高，因此，减速比较大的机构类产品不适合用于遥感类高速扫描类天线。

考虑到电动机寿命需求以及遥感类天线自身工作的性质，扫描机构采用电动机直接驱动产品而不经过减速器的方案优势比较明显，机构本身转子和定子之间仅有轴承起支撑和转动作用，没有其他接触部件，机构寿命取决于轴承，因此有效提高了扫描机构的寿命，满足了遥感类卫星在轨寿命的要求。

扫描机构既作为驱动部件，驱动天线旋转，同时中间轴系相对卫星固定，因此又是冷空反射器和热定标源的安装支撑，以实现在轨相对于对地观测天线位置固定。冷空反射器和热定标源在扫描机构上的安装位置如图7-8所示。

扫描机构由电动机、旋转变压器、导电滑环、轴承以及固定件组成，如图7-9所示。扫描机构的电动机和旋转变压器均采用分装式结构形式，本身无轴承，两件产品支撑均利用机构的两个轴承，与机构共用轴承，减少了轴承使用量，便于机构装配，同时减少轴承使用数量，可提高机构转动可靠性。力矩电动机为无刷电动机，采用外转子结构，外转子带动天线匀速旋转，中间定子部分相对于卫星固定不动，由于扫描机构电动机需要卫星提供电源动力源，所以电动机定子设计成电动机绕组，电动机电源输入不参与旋转，节省了滑环通道。同理，用于测量转动角度信息的旋转变压器也采用内定子绕组及出线，既作为变压器原边，接受励磁电压，又作为变压器的副边，通过电子耦合得到感应电压；转子部分仅有绕组，可感应励磁电压，同时与定子一起耦合感应电压，通过定子引线输出。中间的主轴既是天线和高频箱的支撑结构，又是承载整个转动部分的承力件，主轴端面安装在卫星舱板上。顶部为导电滑环，中间为旋转变压器，底部为电动机及起支撑和承载作用的轴承。

图7-8　扫描机构安装位置示意

汇流环（导电滑环）要求具有非常高的转动寿命（大于5 000万转），这使国内尚无经过飞行验证的研制经验和产品，主要依赖引进，随着对长寿命汇流环的需求增加，国内一些汇流环的生产厂家或研制单位已经开始了长寿命汇流环的研制，并且取得了一定的成果。目前微波辐射计和其他遥感类天线所用的汇流环基本引进国外成熟产品。(www.xing528.com)

扫描机构驱动裕度计算方法如下：

单个轴承摩擦力矩为0.05N·m，考虑旋变阻力矩，总的摩擦力矩约为0.2N·m；

滑环的摩擦力矩为：0.2 N·m；

图7-9　扫描机构的结构示意

产生加速度所需要的力矩为：0.03 N·m；

计算总阻力矩为：0.43 N·m；

电动机的输出力矩为：2N·m；

机构设计安全裕度可以用动力比系数R标识，即

R=总动力矩/总阻力矩=（2 N·m）/（0.43 N·m）=4.65；

扫描机构的驱动裕度设计要求大于3，即R＞3才算满足要求。